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在进行自身热辐射分析时,可以发现到自身热辐射所产生的辐照度在焦平面上的分布呈现不均匀性。进一步通过探测距离公式(11)可知,当目标成像在焦平面不同区域时,由于自身热辐射到达焦平面辐照度分布的不均匀性,探测距离会随着目标成像区域不同而改变,这种在焦平面上呈现区域分布的探测距离称为分布式探测距离。为对分布式探测距离进行分析和对目标区域的冷光学设计提供指导,通过理论计算和模拟仿真相结合,得到了对分布式探测距离的分析方法,如图1所示,具体分析过程如下:
首先建立光机系统模型,然后设置系统表面参数,最后建立主要表面辐射源,进行光线追迹过程,得到系统焦平面的辐照度数据;其次,通过理论推导过程建立的探测距离计算模型,在确定目标以及相关参数以后,最后进行整体焦平面辐照度及探测距离分析。
进一步对分布式探测距离分析,需将焦平面辐照度数据进行分区处理。进行分区数据提取时,需考虑分区的原则。表1给出了影响分区原则的主要因素,针对不同的分析环境,需考虑不同的主要影响因素,保证探测距离取值的合理性,进而确定分区原则。
Zoning principle main influencing factors Irradiance distribution Irradiance density Irradiance intensity System noise Target temperature Target dispersion size Table 1. Main factors affecting the zoning principle
在只考虑自身热辐射影响的前提下,会有像元接收到的辐照度为0的情况。不考虑读出噪声、确定目标参数的情况下,由探测距离公式(11)可知,系统总噪声
$ \bar n $ 不能为0。因此从辐照强度出发,可进行所接收的辐照度大于0的均匀分区和所接收的辐照度相同的不均匀分区,如图2所示。Figure 2. (a) Uniform partitions with irradiance greater than 0 in each region; (b) Nonuniform partitions with the same irradiance in each region
进行不均匀分区时,在不同大小的区域上辐照度相同,所以在进行分布式探测距离分析时没有意义;同时当成像在某一较大区域时,所得的探测距离数据也不够准确。进行均匀分区时,可以得到的各区域辐照度不为0的最小分区,进行分布式探测距离计算时结果更可靠。由此得出对探测器焦平面的分区原则为:在不同的系统工作温度下,当前区域所接收的辐照度大于0的均匀分区。
在进行对焦平面的分区处理后,对分布式探测距离进行分区讨论,分区讨论的思路为:从焦平面辐照度出发,将进行焦平面分区后得到每个区域上的辐照度
$ {E_{opt}} $ ,代入光学背景噪声公式(2)和探测器空间噪声公式(3)中,将公式(5)代入系统总噪声$ \bar n $ 中,通过探测距离公式(11)得到焦平面的分布式探测距离,表示为:由于
$ {E_{opt}}$ 通过系统总噪声可以直接影响探测距离大小,因此在进行分区处理后,对不同温度下对系统组件的表面光源在焦平面不同区域的辐射量进行统计,分析各组件表面的影响比重,可得到区域内对探测距离变化的主要影响表面。将主要影响表面制冷前后的辐照度
$ {E_{opt}} $ 通过公式(2)、(3)、(5)代入系统总噪声$ \bar n $ 中,确定目标的辐射强度J和其他参数,然后代入公式(11)中,分析出制冷前后主要影响表面对目标区域探测距离的影响,进而为系统冷光学设计提供针对性指导。为验证该方法的可行性,下面将按照该分析方法对具体的红外光学系统进行分析。
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建立如图5所示的光机结构模型,将红外光机结构模型导入到FRED软件中,该软件在分析杂散辐射时能建构任何复杂结构分析,在进行系统表面辐射源设置后,进行蒙特卡洛光线追迹即可得到探测器焦平面的辐照度。
因冷光阑后的系统始终处于低温状态,故此部分系统不做讨论。各透镜表面透过率设置为1,镜筒涂层设置为反射率为0.1,透过率为0。各表面光源设置为:温度以10 K为梯度,温度范围控制在当前红外系统常用工作温度范围223.15~313.15 K,通过普朗克辐射定律结合主要表面面积计算相应表面的辐射功率。只从系统软件仿真的角度出发,不进行实际测量,将系统的机械构件表面散射特性设置为朗伯散射,光学元件表面辐射特性设置为Harvey-Shack散射,进行光线追迹得到不同温度下的焦平面辐照度数据,将得到焦平面辐照度数据导入系统总噪声中。
只考虑光机系统自身热辐射影响,目标为理想点目标,温度设置为500 K,探测目标所占像元数N设置为3,不考虑目标的弥散现象,EOD为1。大气透过率为0.8,探测器信号处理信噪比最低要求SNR为6,RNU设置为10%,量子效率
$ \eta $ 为0.8,过程因子$ {\eta _e} $ 为0.8。将上述参数和得到的系统总噪声数据代入探测距离公式(11)中,得到探测距离随探测器焦平面辐照度的变化趋势,如图6所示,可见随着自发热辐射降低,探测距离也随之升高。
进一步对分区域辐照度进行分析,系统工作温度在233.15~313.15 K下,只考虑自身热辐射对焦平面辐照度分布的影响,通过实际焦平面辐照度分布数据,根据所确定的焦平面分区原则:在不同的系统工作温度下,当前区域所接收的辐照度大于0的均匀分区。根据分区原则,在焦平面分区为
$ 10 \times 8 $ 个区域时,仍然会有接收到的辐照度为0的区域,不符合分区要求,没有分析价值。因此将焦平面整体分为$ 5 \times 4 $ 个区域,每个区域由$ 128 \times 128 $ 个像元组成,进行分区域辐照度处理,得到探测器焦平面辐照度分区域分布柱状图,如图7所示。图中,工作温度在293.15 K下探测器焦平面辐照度分区域分布,观察到辐照度数据最大在(1,2)区域,最小在(5,1)区域。在不同温度下,进一步统计出不同区域的辐照度占比,如表2所示。通过对各温度下对不同区域的辐照度占比求取平均值,在(1,1)、(3,1)和(2,2)区域上的平均辐照度占比最大,(3,4)、(5,1)、(5,4)区域上的平均辐照度占比最小,在(2,2)~(4,3)区域内,平均辐照度占比为0.06993,其他区域的平均辐照度占比为0.04234,虽然某一周边区域的辐照度占比突出,但在总体上中心区域的辐照度占比高于周边区域。Operating temperature/K 233.15 243.15 253.15 263.15 273.15 283.15 293.15 303.15 313.15 (1,1) 0.0873 0.0673 0.0745 0.0998 0.1079 0.0853 0.0539 0.0432 0.0372 (1,2) 0.0346 0.0186 0.0212 0.0280 0.0543 0.0434 0.1226 0.1054 0.0900 (1,3) 0.0674 0.0476 0.0494 0.0430 0.0452 0.0320 0.0264 0.0448 0.0159 (1,4) 0.0149 0.0228 0.0463 0.0314 0.0401 0.0416 0.0357 0.1273 0.0995 (2,1) 0.0734 0.1502 0.0562 0.0353 0.0323 0.0888 0.0612 0.0605 0.0312 (2,2) 0.3846 0.2475 0.2854 0.2743 0.1802 0.1374 0.1051 0.0230 0.0470 (2,3) 0.0004 0.0195 0.0263 0.0382 0.0356 0.0917 0.0755 0.0684 0.0859 (2,4) 0.0530 0.1354 0.0371 0.0256 0.0352 0.0444 0.0362 0.0615 0.0364 (3,1) 0.0534 0.0340 0.0445 0.0381 0.0284 0.0260 0.0607 0.0444 0.0407 (3,2) 0.0053 0.0118 0.0226 0.0164 0.0365 0.0347 0.0360 0.0423 0.0376 (3,3) 0.0369 0.0778 0.0967 0.1215 0.1081 0.0880 0.0768 0.0499 0.0473 (3,4) 0.0207 0.0145 0.0343 0.0253 0.0246 0.0187 0.0113 0.0185 0.0266 (4,1) 0.0005 0.0070 0.0239 0.0231 0.0452 0.0614 0.0648 0.0812 0.1189 (4,2) 0.0609 0.0610 0.0623 0.0338 0.0257 0.0224 0.0348 0.0292 0.0268 (4,3) 0.0507 0.0309 0.0472 0.0324 0.0442 0.0354 0.0278 0.0312 0.0473 (4,4) 0.0018 0.0194 0.0207 0.0243 0.0256 0.0344 0.0338 0.0291 0.0464 (5,1) 0.0007 0.0008 0.0070 0.0051 0.0102 0.0078 0.0100 0.0157 0.0434 (5,2) 0.0029 0.0015 0.0026 0.0423 0.0497 0.0443 0.0476 0.0523 0.0467 (5,3) 0.0465 0.0296 0.0364 0.0298 0.0363 0.0329 0.0531 0.0477 0.0492 (5,4) 0.0042 0.0029 0.0054 0.0322 0.0346 0.0294 0.0268 0.0246 0.0260 Table 2. Proportion of irradiance in different regions of the detector focal plane
接下来将工作温度在293.15 K的分区域辐照度数据导入系统总噪声,保持其他参数不变,代入探测距离公式(10)中,得到工作温度在293.15 K时的分布式探测距离,如图8所示。由于在焦平面不同区域上的辐照度各不相同,探测距离在各区域上也各有不同。在(5,1)区域的探测距离数值最大,在(1,2)区域的探测距离数据最小,其与图7中的辐照度分布成对应关系。
将在不同温度下,不同组件自身热辐射到达焦平面的辐照度数据进行分区域处理,统计各组件自发热辐射在不同区域上的辐射量,并计算对不同区域的影响权重。将不同温度下各组件自身热辐射对不同区域的影响权重进行求和,得到各组件自身热辐射对不同区域影响权重的统计结果,如表3所示。
总体上,影响区域最多的是透镜3、透镜5、透镜7、透镜4、镜筒4和镜筒2,且只对周围区域产生影响。对于不同的焦平面区域,主要影响表面各有不同,根据不同温度下各组件对各个区域影响权重的统计结果,得到不同焦平面区域的主要影响表面统计结果,如图9所示。
Lens1
surfaceLens2
surfaceLens3
surfaceLens4
surfaceLens5
surfaceLens6
surfaceLens7
surfaceTube2
surfaceTube3
surfaceTube4
surface(1,1) 0.0109 0.4563 0.5829 0.2884 0.2153 0.4592 0.3810 2.8478 0.0188 3.7397 (1,2) 0.0798 0.9770 0.0415 3.8861 0.7863 0.1520 0.9954 0.9895 1.0781 0.0143 (1,3) 0.0630 0.0507 0.3153 0.3776 0.0710 1.1261 2.5766 0.0587 4.2337 0.1275 (1,4) 1.1484 0.0005 0.7566 0.7554 1.4393 1.5327 3.2829 0.0010 0.0004 0.0829 (2,1) 0.4740 0.0060 5.6941 0.5965 0.5211 0.0018 0.6339 0.1194 0.0024 0.9508 (2,2) 5.8813 0.0063 0.0059 0.5306 0.5377 0.9215 0.6269 0.0474 0.1718 0.2708 (2,3) 0.0631 2.2268 3.9299 0.3563 0.5734 0.0595 1.5599 0.0389 0.0077 0.1845 (2,4) 0.0278 0.0664 0.0072 2.2697 3.9957 0.0052 1.8296 0.0466 0.7069 0.0447 (3,1) 0.0111 0.0000 2.1920 0.5886 1.6966 0.0011 0.6582 3.1848 0.0007 0.6668 (3,2) 0.0274 0.0024 0.8975 0.9569 1.0695 0.6771 3.5116 0.0000 1.8523 0.0054 (3,3) 0.0396 0.1057 0.8885 0.0481 0.6657 4.1218 0.3969 0.3068 0.0089 2.4179 (3,4) 0.0470 0.0112 0.1566 3.0758 0.4770 2.9292 1.5795 0.6474 0.0504 0.0259 (4,1) 1.3208 0.0000 0.3538 2.2130 2.4022 0.9429 1.4545 0.0008 0.0011 0.3109 (4,2) 0.0055 0.0055 0.0167 1.0900 1.6308 0.0025 3.4895 0.0000 2.2563 0.5032 (4,3) 0.0355 0.0974 0.0658 2.8746 3.4224 0.0394 1.0559 1.3683 0.0005 0.0402 (4,4) 0.0869 0.1025 4.1475 0.1444 1.3028 0.5009 2.1155 0.0000 0.3436 0.2559 (5,1) 0.5844 0.0504 0.1219 1.8478 1.8203 0.2928 3.7681 0.0000 0.3663 0.1481 (5,2) 0.5876 0.0001 0.0421 0.8498 1.3815 0.5515 2.9160 0.0000 2.6658 0.0056 (5,3) 0.0105 0.0002 2.2807 0.7391 1.7332 0.0764 0.5562 3.0692 0.3640 0.1705 (5,4) 0.0839 0.2977 2.8863 0.3245 0.3405 0.0060 4.2691 0.7484 0.0058 0.0377 Table 3. Statistical results of the influence weight of each component's own thermal radiation on different region
Analysis of distributed detection range changes caused by infrared system self-thermal radiation
doi: 10.3788/IRLA20220417
- Received Date: 2022-08-01
- Rev Recd Date: 2022-09-25
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- infrared detection system /
- self-thermal radiation /
- detection range /
- main influence surface /
- distributed change
Abstract: